DE102015008921A1

DE102015008921A1 - Verfahren zur additiven Herstellung von Bauteilen

Info

Publication number: DE102015008921A1
Application number: DE102015008921.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wahl; Alexander Weil
Original assignee: Evobeam GmbH
Current assignee: Evobeam GmbH
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2017-01-19
Also published as: US20180178326A1; EP3322548A1; WO2017009093A1

Abstract

Das Verfahren dient zur additiven Herstellung von dreidimensionalen, metallischen Bauteilen (12), wobei diese Bauteile (12) schicht- oder abschnittsweise unter Vakuumbedingungen mittels eines Lasers (20) durch Verschmelzen eines Metallpulvers mit dem Bauteil (12) aufgebaut werden. Um die Entstehung überschüssigen Metallpulvers während der Bearbeitung zu vermindern, wird vorgeschlagen, dass das Metallpulver einem Gasstrom zugegeben und mit diesem vermischt wird, wobei der Gasstrom dem Bereich einer Bearbeitungsstelle des Lasers (20) auf der Oberfläche des Bauteils zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen, metallischen Bauteilen, wobei diese Bauteile schicht- oder abschnittsweise unter Vakuumbedingungen mittels eines Lasers durch Verschmelzen eines Metallpulvers mit dem Bauteil aufgebaut werden.
Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der EP 1 296 788 B1 oder der DE 10 2013 108 111 A1 bekannt.
Die übliche Vorgehensweise sieht dabei vor, dass auf einem Substrat als Ausgang für den herzustellenden Körper, was im übrigen auch bei dem vorliegenden Verfahren in dieser Weise eingesetzt werden kann, bei den Verfahren nach dem Stand der Technik zunächst eine Pulverschicht aufgebracht wird, die anschließend mithilfe des Lasers mit dem Untergrund an den Stellen verschmolzen wird, an welchen ein Materialauftrag gewünscht ist. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis das gewünschte Bauteil hergestellt ist, wobei auch komplexe dreidimensionale Strukturen durch den schichtweisen Aufbau möglich sind.
Es hat sich aber gezeigt, dass durch den nach jeder Schicht erforderlichen Auftrag einer weiteren Pulverschicht, die zudem auch noch glatt gestrichen werden muss, zum Einen ein recht hoher Zeitaufwand erforderlich ist und zum anderen relativ große Mengen an Pulver anfallen, die gar nicht mit dem Bauteil verschmolzen werden. Es versteht sich, dass das Restpulver bei den bekannten Verfahren dann in besonders großen Mengen anfällt, wenn das herzustellende Bauteil in Bezug auf die Grundfläche relativ viele Hohlräume und Aussparungen aufweist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass weniger überschüssiges Metallpulver während der Bearbeitung entsteht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das Metallpulver einem Gasstrom zugegeben und mit diesem verwirbelt wird, wobei der Gasstrom dem Bereich einer Bearbeitungsstelle des Lasers auf der Oberfläche des Bauteils zugeleitet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass das Metallpulver durch die gezielte Zuführung mit Hilfe eines Gasstroms genau an die Stelle des im Entstehen befindlichen Bauteils zugeleitet wird, an welcher der Materialauftrag mittels des Lasers gerade vollzogen wird. Es entfällt daher der bei den bekannten Verfahren notwendige Zwischenschritt, zunächst die gesamte Werkstückoberfläche mit Pulver zu bestreuen, wobei sich gezeigt hat, dass sich durch die Zumischung des Metallpulvers zu einem Gasstrom dieses Metallpulver in ausreichender Menge zuführen lässt, um den gewünschten Materialauftrag im Rahmen der additiven Herstellung des Bauteils sicherzustellen.
Es versteht sich, dass bei der gezielten Zuführung des Metallpulvers nur an die Stelle des Bauteils, an welcher gerade Material aufgetragen werden soll, der Bedarf an zugeführtem Metallpulver deutlich verringert werden kann, da zu den Stellen, an denen kein Materialauftrag bei der jeweils zu bearbeitenden Schicht erfolgen soll, auch gar kein Pulver transportiert wird. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Verluste an Metallpulver, die durch den Gasstrom von der Bearbeitungsstelle weggeblasen werden, insgesamt deutlich niedriger liegt als die Reste des nicht zu verarbeitenden Pulvers bei einer Pulverschicht, die mit üblichen Verfahren verschmolzen wird.
Als Gasstrom eignet sich in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Inertgas, um sicherzustellen, dass es während des Verschmelzens des Metallpulvers mit dem Bauteil nicht zu unerwünschten Reaktionen kommt, die die Werkstoffqualität beeinträchtigen können.
In einer alternativen Ausführungsform kann es aber auch vorgesehen sein, für den Gasstrom ein dotiertes Gas vorzusehen, wobei mit Hilfe der dotierten Stoffe die Materialeigenschaften gezielt beeinflusst werden können.
Die Zuleitung des Gasstromes auf die Bearbeitungsstelle kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Beispielsweise kann der Gasstrom mit dem Metallpulver koaxial zur Laserstrahlrichtung zugeführt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform kann beim koaxialen Zuführen vorsehen, dass der Gasstrom ringförmig um den Laserstrahl zugeleitet wird.
Die koaxiale Zuleitung hat den Vorteil, dass das Metallpulver unmittelbar senkrecht auf die Bearbeitungsstelle trifft, so dass wenig Metallpulver seitlich der Bearbeitungsstelle durch das abströmende Gas verstreut wird.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Gasstrom mit dem Metallpulver lateral zur Laserstrahlrichtung oder in einem Winkel > 0° und < 90° zur Laserstrahlrichtung zugeführt wird. Bei einer derartigen Zuführrichtung ist zwar unter Umständen die Gefahr etwas erhöht, dass das nicht aufgeschmolzene Pulver abprallt und seitlich neben das Bauteil geführt wird, allerdings besteht bei einer derartigen Anordnung etwas mehr Raum für die Anordnung der Gaszuführvorrichtung, was insbesondere im Hinblick auf die hohen Temperaturen im Bereich der Bearbeitungsstelle von Vorteil sein kann.
Jedenfalls ist es bevorzugt, den Gasstrom durch eine geeignete Düse auf die Bearbeitungsstelle zu fokussieren, so dass möglichst viel des eingeströmten Metallpulvers durch den Laser an der Bearbeitungsstelle aufgeschmolzen werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird. Vakuumbedingungen haben den Vorteil, dass die Werkstoffeigenschaften wenig beeinflusst werden und insbesondere das Metallpulver beim Auftragen nicht mit weiteren Substanzen reagiert. Das Durchführen von Schweißvorgängen unter Vakuumbedingungen als solches ist bereits bekannt, so dass das Schaffen einer Vakuumumgebung in einer geeigneten Kammer zur Durchführung des hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, die durch eine Vakuumpumpe evakuiert wird, den Fachmann nicht vor Schwierigkeiten stellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil während des Materialauftrages unter dem mittels einer stationären Vorrichtung zugeführten Gasstrom relativ zu diesem bewegt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Laser nicht nachgeführt werden muss, ebensowenig die Vorrichtung für die Zufuhr des mit dem Metallpulver versetzten Gasstromes.
Vorzugsweise ist der Laser außerhalb einer Vakuumkammer angeordnet. Der Laserstrahl wird dann durch ein Fenster in die Vakuumkammer eingeleitet, die mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird.
Auf diese Weise kann die Vakuumkammer selbst kompakt gehalten werden und die Zuleitungen des Lasers müssen nicht vakuumdicht in das Kammerinnere geführt werden.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt einer Vorrichtung zur additiven Herstellung von Bauteilen mit einer koaxialen Metallpulverzuführung;
2 einen Längsschnitt einer Vorrichtung ähnlich 1 mit einer Metallpulverzuführung in einem Winkel zum Laserstrahl;
In 1 ist eine Vorrichtung 10 gezeigt, mit welcher ein Verfahren zur additiven Herstellung eines metallischen Bauteils 12 in einer Vakuumkammer 14 durchführbar ist. Das Bauteil 12 bzw. Werkstück ist auf einem nicht näher gezeigten Tisch montiert, der ein Verfahren des Bauteils in der x-, y- und z-Richtung ermöglicht. Das Bauteil 12 wird schichtweise im Sinne der additiven Herstellung erzeugt, d. h. bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind bereits eine Reihe von Schichten aufgetragen worden, wobei die aufgetragene aktuelle Materialschicht 16 zur Veranschaulichung nicht maßstäblich überhöht dargestellt ist. Die erste Schicht kann auf einem zuvor in die Kammer 14 eingebrachten Substrat aufgebaut werden.
Eine Vakuumpumpe 18 evakuiert das Innere der Vakuumkammer 14 auf die im Bereich von thermischen Bearbeitungsverfahren im Vakuum üblichen Druckwerte.
Der zum Verschmelzen von zugeführtem Metallpulver in der aufgetragenen Materialschicht 16 erforderliche Energieeintrag wird durch einen Laser 20 bereitgestellt, der außerhalb der Vakuumkammer 14 angeordnet ist. Der Laserstrahl 22 wird durch ein Eintrittsfenster 24 in der Wandung der Vakuumkammer 14 zu einer Bearbeitungsstelle auf dem Bauteil 12 geleitet, an welcher sich durch die hohe Lichtleistung des Lasers 20 ein Schmelzbad 26 ausbildet. Eine nicht gezeigte Vorrichtung kann die Innenseite des Eintrittsfensters 24 mit einem Gas überströmen, so dass ein Verschmutzen und das Kondensieren von Metalldämpfen an dieser Stelle verhindert wird.
Das Metallpulver wird mittels einer Dosiervorrichtung 28 einem Gasstrom zugeführt und mit diesem verwirbelt. Durch eine druckdichte Zuleitung 30 wird dieser Gasstrom in das Innere der Vakuumkammer 14 zu einer Ringdüse 32 geführt, die den eingeleiteten Laserstrahl 22 koaxial umgibt. Die Ringdüse 32 besitzt einen konisch zulaufenden, koaxialen Ringfortsatz 34 der Düse, mit Hilfe dessen das Pulver-Gasgemisch 31 fokussiert auf das Schmelzbad 26 geleitet wird. Während das Gas in dem Zustrom, bei welchem es sich um ein Inertgas handeln kann, das bewusst keinen Einfluss auf den Materialauftrag hat, oder um ein dotiertes Gas, mit Hilfe dessen gezielte Veränderungen der Materialqualität erreicht werden können, seitlich wegströmt, schmelzen die in das Schmelzbad 26 treffenden Metallpartikel unmittelbar auf und sorgen für den Aufbau der aufgetragenen Materialschicht 16. Währenddessen wird das Bauteil 12 in einer Bearbeitungsrichtung verfahren, so dass sich ein zeilenweiser Aufbau ergibt. Grundsätzlich ist es auch möglich, gleichzeitig in mehreren Koordinatenrichtungen zu verfahren, in der Regel wird allerdings ein zeilenweiser Aufbau des Materials gewünscht sein. Selbstverständlich muss eine derartig aufgebrachte Materialschicht nicht durchgängig sein sondern kann an den Stellen, an denen konstruktionsbedingt kein Material vorhanden sein soll, unterbrochen werden. Entsprechend kann während der Verfahrbewegung des Bauteils 12 an derartigen Stellen der Zustrom an Pulver-/Gasgemisch verändert werden, der Laserstrahl unterbrochen werden und/oder die Verfahrgeschwindigkeit des Bauteils 12 in diesen Bereichen kurzfristig stark erhöht werden.
In 2 ist eine weitere Vorrichtung 110 gezeigt, die sich in gleicher Weise wie die zuvor beschriebene Vorrichtung 10 für das additive Herstellen von dreidimensionalen metallischen Bauteilen 12 eignet. Die meisten Bauteile der in 2 gezeigten Vorrichtung 110 entsprechen der zuvor beschriebenen und in 1 gezeigten Vorrichtung, so dass sie entsprechend mit gleichen Bezugszeichen versehen worden sind und an dieser Stelle nicht mehr näher auf Ihre Funktion eingegangen wird. Der Unterschied zu der in 1 gezeigten Vorrichtung 10 besteht darin, das bei der Vorrichtung 110 gemäß 2 die Zuleitung des Pulver-/Gasgemisches 31 über eine einfache Düse 132 erfolgt, mit Hilfe derer das Pulver-/Gasgemisch lateral in einem Winkel dem Schmelzbad 26 zugeführt wird. Entsprechend ergibt sich ein erheblich einfacherer Aufbau der Düse 132, die den Laserstrahl nicht koaxial umgeben muss. Auch die Ausbildung eines ringdüsenartiges Fortsatzes ist hier nicht erforderlich, es genügt, die Düse durch eine einfache Gestaltung des Düsenkopfes so auszubilden, dass das Pulver-/Gasgemisch 31 fokussiert in das Schmelzbad 26 geleitet wird. Die übrigen Abläufe entsprechen den im Zusammenhang mit der Vorrichtung 10 aus 1 erörterten Abläufen und werden an dieser Stelle daher nicht mehr weiter besprochen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1296788 B1 [0002]
DE 102013108111 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen, metallischen Bauteilen (12), wobei diese Bauteile (12) schicht- oder abschnittsweise unter Vakuumbedingungen mittels eines Lasers (20) durch Verschmelzen eines Metallpulvers mit dem Bauteil (12) aufgebaut werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver einem Gasstrom zugegeben und mit diesem vermischt wird, wobei der Gasstrom dem Bereich einer Bearbeitungsstelle des Lasers (20) auf der Oberfläche des Bauteils zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas für den Gasstrom ein Inertgas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas für den Gasstrom ein dotiertes Gas verwendet wird, um die Materialeigenschaften durch die dotierten Stoffe gezielt zu beeinflussen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit dem Metallpulver koaxial zur Laserstrahlrichtung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom ringförmig um den Laserstrahl zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit dem Metallpulver lateral zur Lasterstrahlrichtung oder in einem Winkel > 0° und < 90° zur Laserstrahlrichtung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom auf die Bearbeitungsstelle fokussiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (12) während des Materialauftrages unter dem mittels einer stationären Vorrichtung zugeführten Gasstromes relativ zu diesem bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch ein Fenster (24) in eine Vakuumkammer (14) eingeleitet wird, die mittels einer Vakuumpumpe (18) evakuiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster durch einen Gasstrom vor Bedampfung und/oder Verschmutzung geschützt wird.